芬兰研制出世界首台超导电路量子热机

新华社赫尔辛基7月20日电（记者朱昊晨　徐谦）芬兰阿尔托大学研究人员新研制出一种基于超导电路的循环量子热机，并通过实验证明，在量子尺度上微弱的热量也可以转化为可测量的能量输出。

该研究成果论文以“Initial demonstration of a quantum heat engine based on dissipation-engineered superconducting circuits”为题，已发表于《Nature Communications》（《自然-通讯》）杂志上。

超导量子计算机有一个很少被正面讨论的工程难题：连线。

每一个超导量子比特，都需要通过微波线缆，在它工作的极低温环境（通常在10至20毫开尔文量级）和室温控制电子设备之间来回传递信号。

一根线缆数千元人民币，一台拥有数十万个物理量子比特的大型机器，可能需要几百万根。
更关键的是，不只是贵，线缆本身也是噪声的主要来源之一。

近日，阿尔托大学Mikko Möttönen教授领导的团队，给这个问题提供了一种新思路：把热机造进超导量子芯片里，让量子芯片在极低温下自主完成热管理，从根本上减少对外部线缆的依赖。

这是世界上第一台在超导电路中循环输出正功的量子热机，为未来突破量子计算机的规模瓶颈、大幅降低制造复杂度和成本铺平了道路。

热机的基本逻辑：
是将热能转化为可利用能量的装置，蒸汽机、汽车发动机和许多发电设备都依据这一原理运行。近年来，随着量子技术发展，科学家开始探索热力学定律在量子尺度下如何发挥作用，以及能否利用量子系统中的微小热量完成能量转换。

图｜超导量子热机的艺术图像。（来源：Heikka Valja / 阿尔托大学）

在微观尺度重现奥托循环
量子热机的逻辑相同，但“工质”变成了量子比特的能级，循环在量子系统里进行。

阿尔托大学团队实现的，是量子版的奥托循环（Otto cycle），汽车发动机最常用的热力学循环，装置由三个部件组成：一个transmon量子比特、一个谐振腔，以及一个量子电路制冷机（QCR）。

a 在跃迁频率-平均能量平面上展示的理想量子奥托循环。热机冲程的热力学过程用彩色线条表示，冲程端点的状态用字母 A 到 D 表示。等容热冲程（注：即吸热和放热过程）通过量子电路致冷器（QCR）的交流（AC）脉冲实现，而绝热功冲程（注：即做功过程）则通过在图 2a 显示的样品上施加梯形磁通脉冲来实现，脉冲形状如图 (b) 所示。虚线表示量子比特的初始最低跃迁频率和失谐后的最低跃迁频率。 b 在制备阶段和量子奥托循环中，QCR 结电压、归一化外部磁通量以及量子比特最低跃迁频率随时间变化的函数。结电压和外部磁通量描绘了量子奥托循环的驱动脉冲形状。（来源：Nature）

这个设计有一个反直觉的地方：普通热机需要独立的热源和冷源，而他们的量子电路制冷机可以按需在加热和冷却之间切换，用一个器件同时扮演两个热力学环境的角色。

第一作者Tuomas Uusnäkki表示：“我们的量子电路制冷机可以按需加热或冷却量子比特。通过精确定时的控制脉冲，我们驱动了奥托循环，并在热机运行过程中监测量子比特的状态。”。

实验数据显示，在最初的几个循环中，这台量子热机实现了正向的功率输出，并且其效率超过了理想奥托循环效率的 25%。
Uusnäkki 表示：“这是超导电路中循环量子热机的首次实验验证。使用单个可控的量子致冷器同时充当引擎的热环境和冷环境，使得整个系统变得更简单、更多功能化。”


量子热机动力学。a 从未施加任何脉冲时获得的初始热态开始，连续三个奥托循环中测量得到的状态布居数（注：指粒子在不同能级上的分布概率，以标记点表示）随时间的变化。 b 从热基态开始的首次奥托循环的八次重复实验中，实验获得的（标记点）和模拟的（实线）平均状态布居数随时间的变化。由重复实验组合标准误得出的 1σ 误差棒尺寸小于标记点的大小。 c 根据面板 (a) 的数据和循环中每个 Transmon状态的能量，在连续三个奥托循环中 Transmon 量子比特的平均能量（左侧垂直轴）以及与最接近的热态对应的温度（右侧垂直轴）随时间的变化。（来源：Nature）

量子热机将减少数百万计电缆

这项实验不仅仅是对理论物理的验证，更具有极大的实用潜力。

领导这项研究的 Mikko Möttönen 教授指出，该技术为制造“自主热机”（Autonomous heat engines）指明了方向。

根据芬兰的量子技术战略，目标是在2035年打造出拥有一千个“逻辑量子比特”的计算机，这意味着底层可能需要数十万个物理量子比特。

Möttönen 教授强调：“利用现有技术实现这一目标，需要数以百万计的微波电缆，每根电缆成本高达数千欧元，而且还会将热量和噪声引入极为敏感的极低温量子系统中。”

“如果改用量子热机设备，就可以在极低温度下直接读取量子比特，从而基本消除对这些庞杂线缆的依赖。”

这一方案将极大地降低未来大规模超导量子计算机的成本和复杂性。


图｜IQM量子计算机（来源：IQM）
加速超导量子商业化

值得单独说明的是，Mikko Möttönen不只是阿尔托大学教授，他同时也是IQM Quantum Computers的联合创始人之一。

IQM由Möttönen等人于2018年从阿尔托大学量子技术研究组直接孵化，如今已是全球少数具备完整自研超导量子处理器制造能力的公司之一，于7月2日以代码IQMX在纳斯达克上市。

所以，阿尔托大学做出量子热机，和IQM在推进超导量子计算机商业化，不是两个机构碰巧都在量子赛道上的巧合，而是同一个人同时在推进的两件事：

一件是解决如何让片上热管理摆脱线缆依赖，一件是把这套技术做成可以交付客户的产品。基础研究的方向，直接服务于商业化的瓶颈。

研究团队的下一步目标正是建造一台自主热机，无需外部控制脉冲驱动，完全靠芯片内部的热力学循环自发运转，直接在芯片层面完成量子比特的读出和冷却，而不需要把信号来回送上室温。

然而，论文表示，现有装置是一个概念验证，不是一个可以直接装进量子计算机的生产组件。

从“首台循环量子热机”到“真的减少量子计算机线缆数量”之间，还有自主化、可靠性和架构集成这几道工程门槛。

但是，量子力学和热力学能不能在超导电路里同时运转并输出有用功，已经有了一个清楚的肯定答案。

这项成果一方面有助于研究热力学定律在量子尺度下如何发挥作用，深化对热量和能量转换关系的认识，另一方面也可能为大型量子计算机的设计提供新思路。

目前，超导量子计算机芯片需要在极低温环境下运行，但芯片产生的信号通常还要传送至室温设备处理。随着量子比特数量增加，连接芯片和外部设备的线路会越来越多，不仅增加量子计算机的成本和复杂程度，还可能影响其稳定运行。

研究团队下一步将尝试研制可自主运行的量子热机，使量子比特的部分信号读取工作无需提升至室温条件即可完成，从而减少量子计算机对外部线路和室温设备的依赖，降低大型量子计算机的成本并简化系统结构。

引用：

[1]http://t.cn/AX9bn2fA

[2]http://t.cn/AX9bn2fw

[3]http://t.cn/AX9bn2fZ